(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト系ステンレス鋼を冷間圧延してセパレータ素材板を得た後、該セパレータ素材板を熱処理して内部に導電性介在物を析出させることにより、導電性介在物の平均円相当直径をＲ、母材の結晶粒の平均円相当直径をｒとしたとき、０．１６≦Ｒ／ｒ≦０．８を満足させる工程と、上記セパレータ素材板の母材の表層部を除去して上記導電性介在物を上記セパレータ素材板の表面から突出させる工程と、上記セパレータ素材板をプレス成形して断面凹凸に状に形成する工程と、上記セパレータ素材板に不動態化処理を施して上記セパレータ素材板の母材の表層部を体積膨張させる工程とを上記の順番で行うことを特徴とする燃料電池用金属製セパレータの製造方法。
【請求項２】
オーステナイト系ステンレス鋼を冷間圧延してセパレータ素材板を得た後、該セパレータ素材板を熱処理して内部に導電性介在物を析出させることにより、導電性介在物の平均円相当直径をＲ、母材の結晶粒の平均円相当直径をｒとしたとき、０．１６≦Ｒ／ｒ≦０．８を満足させる工程と、上記セパレータ素材板の母材の表層部を除去して上記導電性介在物を上記セパレータ素材板の表面から突出させる工程と、上記セパレータ素材板に不動態化処理を施して上記セパレータ素材板の母材の表層部を体積膨張させる工程と、上記セパレータ素材板をプレス成形して断面凹凸に状に形成する工程とを上記の順番で行うことを特徴とする燃料電池用金属製セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池が備える金属製セパレータおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層された積層体が１ユニットとされ、複数のユニットが積層されて燃料電池スタックとして構成される。電極構造体は、正極（カソード）および負極（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパレータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。
【０００３】
上記セパレータは、負極側の水素ガスの触媒反応により発生した電子を外部回路へ供給する一方、外部回路からの電子を正極側に送給する機能を具備する必要がある。そこで、セパレータには黒鉛系材料や金属系材料からなる導電性材料が用いられており、特に金属系材料のものは、機械的強度に優れている点や、薄板化による軽量・コンパクト化が可能である点で有利であるとされている。金属製のセパレータとしては、導電経路を形成する非金属の導電性介在物が表面に突出したステンレス鋼製の薄板が好適に用いられる。このようなセパレータの製造方法としては、金属組織中に導電性介在物を有するステンレス鋼の表面に導電性介在物を突出させる処理を施してセパレータ素材板を得、次いで、このセパレータ素材板をプレス成形により断面凹凸状に成形して、表裏面に形成された溝を上記ガス流路や冷媒流路とする方法が挙げられる。導電性介在物を突出させる処理としては、例えば、化学エッチング、電解エッチング、あるいはサンドブラスト等によって母材の表面を除去する手段が採られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように表面から導電性介在物が突出しているセパレータにあっては、この導電性介在物が電極構造体の表面に接触して導電経路が確保されるため、接触抵抗が低減して発電性能の向上が図られる。しかしながら、表面から突出していることにより導電性介在物は脱落しやすく、脱落すると、脱落痕を起点として孔食が生じ、発電性能の低下を招いてしまう。特に、プレス成形したものでは、曲げ加工されたＲ部の外側表面の導電性介在物が脱落しやすかった。
【０００５】
よって本発明は、導電性介在物の脱落が効果的に抑制され、これによって接触抵抗が低減して発電性能の大幅な向上が図られる燃料電池用金属製セパレータおよびその製造方法を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用金属製セパレータの製造方法は、オーステナイト系ステンレス鋼を冷間圧延してセパレータ素材板を得た後、該セパレータ素材板を熱処理して内部に導電性介在物を析出させることにより、導電性介在物の平均円相当直径をＲ、母材の結晶粒の平均円相当直径をｒとしたとき、０．１６≦Ｒ／ｒ≦０．８を満足させる工程と、上記セパレータ素材板の母材の表層部を除去して上記導電性介在物を上記セパレータ素材板の表面から突出させる工程と、上記セパレータ素材板をプレス成形して断面凹凸に状に形成する工程と、上記セパレータ素材板に不動態化処理を施して上記セパレータ素材板の母材の表層部を体積膨張させる工程とを上記の順番で行うことを特徴とする。また、本発明の他の燃料電池用金属製セパレータの製造方法は、オーステナイト系ステンレス鋼を冷間圧延してセパレータ素材板を得た後、該セパレータ素材板を熱処理して内部に導電性介在物を析出させることにより、導電性介在物の平均円相当直径をＲ、母材の結晶粒の平均円相当直径をｒとしたとき、０．１６≦Ｒ／ｒ≦０．８を満足させる工程と、上記セパレータ素材板の母材の表層部を除去して上記導電性介在物を上記セパレータ素材板の表面から突出させる工程と、上記セパレータ素材板に不動態化処理を施して上記セパレータ素材板の母材の表層部を体積膨張させる工程と、上記セパレータ素材板をプレス成形して断面凹凸に状に形成する工程とを上記の順番で行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明のセパレータの製造方法にあっては、表面から突出する導電性介在物は、不動態化処理によって体積膨張した母材により周囲が取り囲まれ、さらに圧縮応力を受けることによって、母材に保持されている。導電性介在物は、母材の１つ１つの結晶粒に挟まれて保持されており、本発明では、母材の結晶粒の平均円相当直径ｒが、導電性介在物の平均円相当直径Ｒよりも比較的大きく、０．１６≦Ｒ／ｒ≦０．８の範囲に設定している。この範囲設定により、導電性介在物は母材からの圧縮応力を確実に受けた状態で結晶粒に挟まれ、これによって導電性介在物の脱落が効果的に抑制される。このように導電性介在物の脱落が抑制されることにより、導電性介在物による導電経路が有効に機能するとともに孔食の発生が防止され、その結果として接触抵抗が低減し発電性能の大幅な向上が図られる。
【０００８】
Ｒ／ｒが０．１６を下回ると、結晶粒で囲まれた導電性介在物が小さすぎて結晶粒に接触しにくくなり、確実に保持されない。また、Ｒ／ｒが０．８を超えると、逆に導電性介在物の体積が大きくなるため、導電性介在物が結晶粒から受ける圧縮応力による単位体積当たりの保持力が低下し、脱落が起きやすくなる。したがって、０．１６≦Ｒ／ｒ≦０．８の範囲に設定した。
【０００９】
母材の結晶粒の平均円相当直径ｒと導電性介在物の平均円相当直径Ｒとの比を０．１６≦Ｒ／ｒ≦０．８の範囲に制御する方法としては、導電性介在物の粒径を調節する方法が挙げられる。その方法としては、例えば圧延によって所定厚さのセパレータを製造する場合であれば、圧延後の母材の表面を、化学エッチング、電解エッチング、あるいはサンドブラスト等によって除去して導電性介在物を突出させる。これによると、圧延によって表面に積層したきわめて微細な導電性介在物を母材ごと除去することができ、適正な粒径の導電性介在物を表面に突出させることができる。本発明の製造方法では、セパレータの素材を熱処理することによって導電性介在物の粒径を変化させる。その場合、セパレータの素材を、導電性介在物が析出する温度範囲で、温度と時間を変えることにより、導電性介在物の粒径を調節することができる。また、導電性介在物は、組成の違いによって晶出型や析出型に分けられるが、いずれの場合も、本発明では導電性介在物が母材に挟まれて保持されるものとする。
【００１０】
なお、不動態化処理の具体的手段としては、酸性浴に浸漬するなどの手段が挙げられる。
【００１１】
本発明の金属材料としては、導電経路を形成する導電性介在物が表面に突出するステンレス鋼板が好適に用いられ、具体的には、例えば次の組成を有するステンレス鋼板が好適に用いられる。すなわち、Ｃ：０．１５ｗｔ％以下、Ｓｉ：０．０１〜１．５ｗｔ％、Ｍｎ：０．０１〜２．５ｗｔ％、Ｐ：０．０３５ｗｔ％以下、Ｓ：０．０１ｗｔ％以下、Ａｌ：０．００１〜０．２ｗｔ％、Ｎ：０．３ｗｔ％以下、Ｃｕ：０〜３ｗｔ％、Ｎｉ：７〜５０ｗｔ％、Ｃｒ：１７〜３０ｗｔ％、Ｍｏ：０〜７ｗｔ％、残部がＦｅ，Ｂおよび不可避的不純物であり、かつ、Ｃｒ，ＭｏおよびＢが次式を満足している。
Ｃｒ（ｗｔ％）＋３×Ｍｏ（ｗｔ％）−２．５×Ｂ（ｗｔ％）≧１７
このステンレス鋼板によれば、Ｂが、Ｍ２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型の硼化物として表面に析出し、これら硼化物が導電性介在物である。
【００１２】
【実施例】
次に、本発明の実施例を説明する。
Ａ．試験片の製造
表１に示す成分を有する厚さ０．２ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼板を圧延によって得、この素材から１００ｍｍ×１００ｍｍの試験片を必要数切り出した。
【００１３】
【表１】
0004535660.tif 000002
【００１４】
次いで、これら試験片を、表２に示す２７通りの焼鈍条件（温度および時間）によって焼鈍した。焼鈍により、成分中のＢが、Ｍ２ＢおよびＭＢ型の硼化物、Ｍ２３（Ｃ，Ｂ）６型の硼化物として金属組織中に析出し、これら硼化物が、セパレータの表面に導電経路を形成する導電性介在物である。導電性介在物の粒径は、焼鈍条件によって制御される。
【００１５】
【表２】
0004535660.tif 000003
【００１６】
次に、焼鈍した各試験片の両面に砥粒（粒径０．３ｍｍのアルミナ粒、不二製作所社製：フジランダムＷＡ♯３００）を２ｋｇ／ｃｍ２の圧力で１０秒間吹き付けるサンドブラスト処理を行って両面から導電性介在物を突出させた。次いで、各試験片を、５０℃に保持されている５０ｗｔ％硝酸液浴の中に１０分間浸漬して不動態化処理（化学物層形成処理）を行って母材表面の体積を膨張させた。以上によってＮｏ．１〜２７の試験片を得た。
【００１７】
Ｂ．導電性介在物の直径と母材の結晶粒の直径との比
Ｎｏ．１〜２７の試験片につき、導電性介在物の平均円相当直径Ｒと、母材の結晶粒の平均円相当直径ｒを、次のようにして求めた。試験片を樹脂に埋め込んで断面を♯１０００耐水研磨紙で研磨し、次いで、バフ研磨を行って鏡面を得た。これにグリセリン王水（重量比で濃硝酸１、濃塩酸３、グリセリン６の割合）を用いてエッチングを行った。この後、エッチング面を金属顕微鏡によって倍率４００倍で撮影し、視野内の全ての導電性介在物と全ての結晶粒の面積を、画像解析装置によって計測し、それぞれの平均円相当直径Ｒおよびｒを求めた。なお、平均相当直径は以下の式から求められる。
【００１８】
【数１】
0004535660.tif 000004
【００１９】
次に、求めたＲおよびｒから、Ｎｏ．１〜２７の試験片のＲ／ｒを算出した。その値を表２に示す。
【００２０】
Ｃ．導電性介在物の脱落率の測定
Ｎｏ．１〜２７の試験片の表面を金属顕微鏡によって４００倍の倍率で撮像し、得られた写真から、次のようにして導電性介在物の脱落率を求めた。母材から突出する導電性介在物の個数ａと、母材から導電性介在物が抜け落ちてできた孔の個数ｂとを、ａ＋ｂが１０００となるまで計測し、ａ，ｂの数値を次の式にあてはめて導電性介在物の脱落率を求めた。
脱落率（％）＝｛ｂ／（ａ＋ｂ）｝×１００
求めた脱落率を表２に示すとともに、図１にグラフ化した。
【００２１】
表２の測定結果および図１によれば、上記Ｒ／ｒが０．１６〜０．８のＮｏ．９〜１９の試験片において導電性介在物の脱落率が著しく低く、一方、この範囲を逸脱すると脱落率は大幅に高くなることが判る。したがって、Ｒ／ｒの値を０．１６〜０．８の範囲内に制御することにより、導電性介在物の脱落が抑えられることが実証された。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、表面から導電性介在物が突出し、母材の表面に該母材の体積膨張を促す化学物層形成処理が施された燃料電池用金属セパレータにおいて、導電性介在物の平均円相当直径と母材の結晶粒の平均円相当直径との比を適宜範囲に規定したので、導電性介在物の脱落が効果的に抑制され、これによって接触抵抗が低減して発電性能の大幅な向上が図られるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例で測定した導電性介在物の脱落率を示すグラフである。
【図１】
0004535660.tif 000005